Vers des batteries Li-ion plus performantes et plus stables : nouvelle technologie de la synthèse d’un additif fluoré

Le marché mondial, ainsi que la grande demande en innovation sur la technologie des batteries Li-ion, conduisent les industriels à développer de nouveaux systèmes plus performants impliquant l’utilisation de composés fluorés comme additifs électrolytiques.

Du fonctionnement d’une batterie Li-ion

Le fonctionnement d’une batterie Li-ion repose sur l’échange réversible d’ions lithium entre les cycles charge et décharge. « Elle est composée d’une anode en graphite ou en silicium et d’une cathode d’oxyde métallique (cobalt, nickel, vanadium, manganèse) et d’un électrolyte comprenant un sel métallique alcalin dissous dans un solvant organique électrolytique, détaille Sylvette Brunet, directrice de recherche du CNRS à l’Institut de chimie des milieux et matériaux de Poitiers (IC2MP, CNRS/Université de Poitiers). Cet électrolyte est constitué d’un sel de lithium et d’un solvant pour favoriser une bonne dissolution du sel de lithium tel que l’hexafluorophosphate de lithium (LiPF6) qui doit être stable et très soluble dans le solvant utilisé et sur une large plage de températures. »

Par ailleurs, ils ne doivent pas causer de réactions indésirables avec des composants de la batterie. Compte tenu de ces inconvénients, le remplacement de LiPF₆ par le bis(fluorosulfonyl)imidure de lithium (LiFSI) représente un grand intérêt dans la technologie des batteries Li-ion. De plus, ce composé serait un sel conducteur et un solvant ininflammable pour les batteries Li-ion.

Nouvelle voie d’accès à LiFSI

La préparation de ce composé est jusqu’à présent réalisée en une ou deux étapes avec le bis(fluorosulfonyl)imide (HFSI) comme intermédiaire. La synthèse de celui-ci est principalement décrite à partir du bis(chlorosulfonyl)imide (HCSI) avec 2 voies d’accès proposées en phase liquide, mettant en jeu la réaction HALEX (Halogen Exchange). S’ensuit la formation du sel de lithium correspondant (LiFSI) en utilisant des solvants et des réactifs non recyclables et nocifs pour l’environnement.

« Pour pallier ces inconvénients, une voie alternative innovante a été mise au point à l’échelle du laboratoire à partir du bis(chlorosulfonyl)imide (HCSI) et uniquement en présence de fluorure d’hydrogène comme agent de fluoration (voir illustration). Dans certaines conditions opératoires, la transformation du HCSI est totale en HFSI avec HCl comme seul sous-produit ; et qui présente l’avantage de pouvoir être recyclé », se félicite la chimiste. La réaction mise en jeu correspond alors à une simple réaction d’échange entre les atomes de chlore et les atomes de fluor provenant du fluorure d’hydrogène (voir schéma).